机修厂供配电系统设计方案.docx
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机修厂供配电系统设计方案
机修厂供配电系统设计方案
第一章电力工程课程设计任务书
1.1原始资料
本厂承担某大型钢铁联合企业各附属厂的电机、变压器修理和制造任
务。
年生产规模为修理电机7500台，总容量为45万kW；制造电机总6万容量为kW,制造单机最大容量为5000kW；修理变压器500台；生产60万电气备件为件。
本厂为某大型钢铁联合企业的重要组成部分。
汪；毋乍间变电所
（11工厂总平面布置图如下：
水塔
No.10
O水池国可□空cEeUcII
（2）工厂的生产任务、规模及产品规格：
本厂承担某大型钢铁联合企业各附属厂的电机、变压器修理和制造任务。
年生产规模为修理电机7500台，总容量为
45万kW；制造电机总容量为6万kW,制造单机最大容量为5000kW；修理变压器500台；生产电气备件为60万件。
本厂为某大型钢铁联合企业的重要组成部
（3）工厂各车间的负荷情况及各车间预计配置变压器台数如表1.1所示
表1.1工厂各车间负荷情况及各车间变电所容量
序
号
车间名称
设备容
量（kW）
需要系
数Kd
tg
车间变电
所代号
变压器
台数
1
电机修造车间
2505
0.24
0.82
No.l
1
2
机械加工车间
886
0.18
1.58
No.2
1
3
新品试制车间
634
0.35
1.51
No.3
1
4
原料车间
514
0.6
0.59
No.4
1
5
备件车间
562
0.35
0.79
No.5
1
6
锻造车间
150
0.24
1.6
No.6
1
7
锅炉房
269
0.73
0.87
No.7
1
8
空压站
322
0.56
0.88
No.8
1
9
汽车库
53
0.57
0.9
No.9
1
10
大线圈车间
335
0.56
0.63
No.10
1
11
半成品试验站
1217
0.3
0.79
No.ll
1
12
成品试验站
2290
0.28
0.75
No.12
1
13
加压站（10kV专供负
荷）
256
0.64
0.85
1
14
设备处仓库（10kV专供
负荷）
560
0.6
0.85
1
15
成品试验站大型集中负荷
3600
0.8
0.8
主要为35kV高压整流装置，要求专线供电。
（4）供电协议:
1.当地供电部门可提供两个供电电源，供设计部门选择：
1）从某220/35kV区域变电站提供电源，此区域变电站距工厂南侧4.5km。
2）从某35/10RV变电所，提供10kV备用电源，此变电所距工厂南侧约4kmo
2.电力系统的短路数据，如表1.2,其供电系统图，如图1.2。
表1.2区域变电站35kV母线短路数据
系统运行方式
系统短路数据
最大运行方式
Sk（3m）ax600MVA
最小运行方式
Sk（3m）in280MVA
图1.2供电系统图
220/35kV
3.供电部门对工厂提出的技术要求：
1）区域变电站35kV馈电线的过电流保护整定时间top1.8s,要求工厂总降压变电所的过电流保护整定时间不大于1.3so2）在工厂35kV电源侧进行电能计量。
3）工厂最大负荷时功率因数不得低于0.9o
4.电费制度：
每月基本电费按主变压器容量计为18元/kVA,电费为0.5元
/kW-ho此外，
交纳供电贴费：
6〜10kV为800元/kVA。
（5）工厂负荷性质：
本厂大部分车间为一班工作制，少数车间为两班或三班工作制，工厂的年最大有功负荷利用小时数为2300ho
锅炉房供应生产用高压蒸汽，其停电将使锅炉发生危险。
又由于工厂距离市区较远，消防用水需厂方自备。
因此锅炉房供电要求有较高的可靠性。
（6）工厂自然条件：
1.气象资料：
本厂所在地区的年最高气温为38°C,年平均气温为23°C,年最低气温为一8°C,年最热月平均最高气温为330C,年最热月平均气温为26oC,年最热月地下0.8m处平均温度为25*。
当地主导风向为东北风，年雷暴日数为20。
2.地质水文资料：
本厂地区海拔60m,底层以砂粘土为主，地下水位为2m。
1.2设计任务
1.高压供电系统设计
主要任务是工厂部高压供电等级选择，需考虑供电的经济性（设备及损耗费用）和技术要求（线路电压损耗、以及供电电源变压器的断路器出线容量等）o
2•总降压变电站设计
（1）主结线设计：
根据设计任务书，分析原始资料与数据，列岀技术上可能
实现的多个方案，经过概略分析比较，留下2〜3个较优方案，对较优
合投资指标），确定最优方案。
（2）短路电流计算：
根据电气设备选择和继电保护的需要，确定短路计算
点，计算三相短路电流，计算结果列出汇总表。
（3）主要电气设备选择：
主要电气设备的选择，包括断路器、隔离开关、互感器、导线截面和型号等设备的选择及校验。
选用设备型号、数量、汇成设备一览表。
（4）主要设备继电保护设计：
包括主变压器、线路等元件的保护方式选择和整定计算。
（5）配电装置设计：
包括配电装置布置型式的选择、设备布置图。
（6）防雷、接地设计：
包括直击雷保护、进行波保护和接地网设计。
3.车间变电所设计
根据车间负荷情况，选择车间变压器的型号。
4.厂区10KV配电系统设计
根据所给资料，列岀配电系统结线方案，经过详细计算和分析比较，确定
1.3设计容及步骤
全厂总降压变电所及配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况。
解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题。
其基本容有以下几方面。
1.负荷计算
全厂总降压变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。
考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出全厂总降压变电所高压侧计算负荷及总功率因数。
列岀负荷计算表、表达计算成果。
2.工厂总降压变电所的位置和主变压器的台数及容量选择
参考电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量
3.工厂总降压变电所主结线设计
根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数综合主变压器台数，确定变电所高、低接线方式。
对它的基本要求，即要安全可靠有要灵活经济，安装容易维修方便。
4.厂区高压配电系统设计
根据厂负荷情况，从技术和经济合理性确定厂区配电电压。
参考负荷布
局及总降压变电所位置，比较几种可行的高压配电网布置放案，计算岀导线
截面及电压损失，由不同放案的可靠性，电压损失，基建投资，年运行费用,有色金属消耗量等综合技术经济条件列表比值，择优选用。
按选定配电系统作线路结构与敷设方式设计。
用厂区高压线路平面布置图，敷设要求和架空线路杆位明细表以及工程预算书表达设计成果。
5.工厂供、配电系统短路电流计算
工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。
由系统不同运行方式下的短路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两相短路电流。
6.改善功率因数装置设计
按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。
由手册或厂品样本选用所需移相电容器的规格和数量，并选用合适的电容器柜或放电装置。
如工厂有大型同步电动机还可以采用控制电机励磁电流方式提供无功功率，改善功率因数。
7.变电所高、低压侧设备选择
选择变电所
参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值,
高、低压侧电器设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。
并根据需要进行热稳定和力稳定检验。
用总降压变电所主结线图，设备材料表和投资概算表达设计成果。
8.继电保护及二次结线设计
为了监视，控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移相电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。
并对保护装置做出整定计算和检验其灵敏系数。
设计包括继电器保护装置、监视及测量仪表，控制和信号装置，操作电源和控制电缆组成的变电所二次结线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。
35kv及以上系统尚需给出二次回路的保护屏和控制屏屏面布置图。
9.变电所防雷装置设计
参考本地区气象地质材料，设计防雷装置。
进行防直击的避雷针保护围计算，避
的规格型号，并确定其接线部位。
进行避雷灭弧电压，频放电电压和最大允许安装距离检验以及冲击接地电阻计算。
关规程规定，进行外的变、配电装置的总体布置和施工设计。
第二章负荷计算
2.1负荷计算的目的和意义
负荷计算是根据已知工厂的用电设备安装容量来确定预期不变的最大假想负荷。
它是按发热条件选择工厂电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及
量，使工厂电网复杂，浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量。
特别是由于工厂企业是国家电力的主要用户，以不合理的工厂电力需要量作为基础的国家电力系
统的建设,
将给整个国民经济建设带来很大的危害。
但是如果估算过低，又会使工
厂投入生产后，供电系统的线路及电器设备由于承担不了实际负
荷电流而过热，加速其绝缘老化的速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供电系统的正常可靠运行。
（1）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。
计算负荷是一个假想的持续性的负
荷，其热效应与同一时间实际变动负荷所产生的最大热效应相等。
在配电设计中，
通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。
（2）尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。
一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。
在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。
（3）平均负荷为一段时间用电设备所消耗的电能与该段时间之比。
常选用最大负
荷班（即有代表性的一昼夜电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。
平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。
①计算各车间负荷:
2.2各车间负荷计算
按需要系数法公式PaoKdPe,QsoPsotan,
②计算总的负荷：
由公式
P30KPP30iQ30KqQ30.i
S3。
P302Qso2计算总的有功计算负荷，无功计算负荷，视在计算负荷。
负荷计算表格汇总如下表2.1所示:
表2.1计算负荷汇总表
序
号
车间名称
计算负荷
车间变电
所代号
变压器台数
PsofKW）
Q30（Kvar）
Sso（KVA）
1
电机修造车间
601.2
492.98
777.48
No.l
1
2
机械加工车间
159.48
251.98
298.21
No.2
1
3
新品试制车间
221.9
335.07
401.88
No.3
1
4
原料车间
308.4
181.96
358.08
No.4
1
5
备件车间
196.7
155.39
250.67
No.5
1
6
锻造车间
36
57.6
67.92
No.6
1
7
锅炉房
196.37
170.84
260.28
No.7
1
8
空压站
180.32
158.68
240.20
No.8
1
9
汽车库
30.21
27.19
40.64
No.9
1
10
大线圈车间
187.6
118.19
221.73
No.10
1
11
半成品试验站
365.1
288.43
465.28
No.ll
1
12
成品试验站
641.2
480.9
801.5
No.12
1
13
加压站（10kV专供负荷）
163.84
139.26
215.03
1
14
设备处仓库（10kV专供负荷）
336
285.6
440.98
1
15
成品试验站大型集中负荷
2880
2304
3626.07
主要为35kV高压整流装置，要求专线供电。
2.3工厂电力负荷计算
工厂中由于有大量的感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感性负载，还有感性的电力变压器，从而使功率因数降低。
如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高自然功率因数的情况下，尚达不到规定的功率因数要求，则需要增设无功功率补偿装置。
这将使系统的电能损耗和电压损耗相应降低，既节约电能又提高电压质量，而且可选较小容量的供电设备和导线电缆，因此提高功率因数对供电系统大有好处。
1）全车间变电所低压母线上计算负荷由2.2已知各个车间的计算负荷见表1,収Kp
0.92,Kq0.95可得p30
（1）kPp30.i0.923124.482874.52KW
Qs。
⑴KqQso.0952719.212583.25KVar
S30⑴P3°2Q3022874.5222583.5223864.72KVA
（2）因为有变压器的功率损耗，所以：
Pt
0.01S30⑴Qt0.03S30⑴
P30⑵
P30（i）Pt2874.5238.64722913.17KW
q30
（2）
Q3o（dQt2583.25193.2362776.49KVar
%。
⑵R。
⑵Q昭22913.1722776.4924024.36KVA
3）全车间高压母线上计算负荷
Prn^nQm分别为车间10KV用电设备的有功计算负荷和无功计算负荷,
S30⑶P30⑶Q30⑶23413.0122
QiGOQC2
2.4无功补偿
题目中要求工厂最大负荷时功率因数不得低于0.9,并且提高功率因数可
减少电费，所以选择利用电容器并联在10KV侧进行功率补偿。
功率因数为COSPso/Sso,
可得主降压变电器低压侧功率因数
cosP30（3）/S30⑶3413.01/4678.080.73
设补偿后低压侧功率因素为0.92,
QcP3o（3）（tantanJ1754.29
补偿电容器选为BFM10.5-100-1W,nQc/qc,又因电容器为单相电容器，所以n应为
B的倍数，取n二18,所以Qd81001800KVar
Qscos）1Q3oQc3199.3518001399.35KVar
S30（3「P30⑶
Qc，2
带入可得S3o（3；3143.0121399.3523688.74KVA
检验高压侧：
p30（3）
p30（4）
Pt3413.0136.88743449.90KW
q30（4）q30（3）QT1399.35184.4371583.79KVar
S30（4）
Pso（4）QsoM3449.9021583.7923796.08KVA
功率因数cosPso（4）/Sso（4）3449.90/3796.080.910.9,满足要求。
全厂总计算负荷:
q3（05）
Pso（4）Pn3449.928806329.9KW
Q3o（4）Qn1583.7923043887.79KVar
第三章高压供电系统的设计
3.1高压供电方案的要求
工厂的供电方案主要依据工厂的用电要求、用电性质、现场调查的信息以及电网结构和运行情况来确定。
其主要容包括供电电源位置、出线方式、供电线路敷设、供电回路数、走径、跨越、工厂进线方式、工厂受（送）电装置容量、主接线、继电保护方式、电能计量方式、运行方式、调度通信等容。
3.2高压供电方案的准则
（1）应能满足供用电安全、可靠、经济、运行灵活、管理方便的要求，并留有发展余度。
（2）符合电网建设、改造和发展规划的要求；满足工厂近期、远期对电力的需求，具有最佳的综合经济效益。
（3）具有满足工厂需求的供电可靠性及合格的电能质量。
（4）符合相关国家标准、电力行业技术标准和规程，以及技术装备先进要求，并应对多种供电方案进行技术经济比较，确定最佳方案。
3.3机修厂的用电情况
当地供电部门可提供两个供电电源，供设计部门选择：
（1）从某220/35kV区域变电站提供电源，此区域变电站距工厂南侧4.5kmo
（2）从某35/10kV变电所，提供10kV备用电源，此变电所距工厂南侧约4km□
高压供电系统的设计要以安全、可靠运行为原则，同时兼顾运行的经济性和灵活性。
因此，主接线的正确、合理设计，必须综合处理各个方面的因素，经过技术、经济论证比较后方可确定。
本变电所原始资料有两路电源可供选择。
其一从某220/35kV区域变电站提供电源，此区域变电站距工厂南侧4.5kmo其二从某35/10kV变电所，提供10kV备用电源，此变电所距工厂南侧约4km。
本机修厂中No.7锅炉房供应生产用高压蒸汽，其停电将使锅炉发生危险。
又由于工厂距离市区较远，消防用水需厂方自备。
因此锅炉房供电要求有较高的可靠性。
故No.7锅炉房定为I级负
荷。
由于一级负荷属重要负荷，如果中断供电造成的后果十分严重，因此要求由两路电源供电，当其中一路电源发生故障时，另一路电源应不致同时受到损坏。
本厂大部分车间为一班工作制，少数车间为两班或三班工作制，工厂的年最大有功负荷利用小时数为2300ho
3.4高压供电方案的选择与确定
主要任务是工厂部高压供电等级选择，需考虑供电的经济性（设备及损耗费
用）和技术要求（线路电压损耗、以及供电电源变压器的断路器出线容量等）。
3.4.1高压供电系统的经济指标
（1）线路和设备的综合投资额：
包括线路和设备自身的价格、运行费、管理费、基建安装费等。
可按照当地电气安装部门的规定计算。
（2）变配电系统的年运行费用：
包括线路各设备的折旧费、维修管理费和电能损耗费等。
线路各设备的折旧费和维修管理费，通常都取为线路和设备综合投资的一个百分数。
而电能损耗费，则根据线路和变压器的年电能损耗计算。
总的年运行费即为以上线路变压器折旧费、维修费与年能损耗费之和。
⑶供电贴费:
有关法规还规定申请用电，用户必须向相关供电部门一次性地缴纳供电贴费。
（4）线路上的有色金属消耗量:
指导线和电缆的有色金属耗用的重量。
3.4.2高压供电系统的技术指标
（1）供电的安全性：
高压供电方案在确保运行维护和检修的安全方面的情况。
（2）供电的可靠性:
高压供电方案在用电负荷对可靠性要求的适应方面的情况。
（3）供电的电能质量主要是指电压质量，包括电压偏差和电压波动等情况。
（4）运行的灵活性和运行维护的方便性。
（5）对变配电所今后增容扩建的适应性。
3.4.3高压供电系统的方案
根据系统的供电协议，供电电压有两个方案可供选择。
因高压供电系统的基本要安全、可靠、经济、优质。
所以在设计过程要对两种方案综合考虑，在安全可靠的基础上选择最好的方案。
方案一:
工作电源与备用电源均采用35kV电压供电。
由架空线引入电源，厂总降压变电所装设有两台主变压器，变压器一次侧装设断路器，备用电源接在35kV母线上，变压器二次侧采用单母线分段制接法。
方案的优缺点分析：
优点：
供电电压高，线路功率损耗小，电压损失小，调压问题容易解决，要求的功率因数低，所需的功率补偿容量小，可减少投资，供电的安全稳定性高。
缺点：
由于机修厂设有总降压变电所，占用的土地面积较大。
降压变电所要装有两台主变压器，投资及运行费用较高。
方案二：
工作电源是35RV,备用电源为10RV,由架空线引入电源，场总降压变电所装设有两台主变压器，变压器高压侧装设断路器，备用电源接在总降压变电所的10kV母线上，二次侧采用单母线分段制接法。
由于正常供电时只用一路工作电源供电，出现故障时方用备用电源，备用电源供电时间较少。
因此该方案既能满足供电的安全可靠性又可降低投资及维护费用。
3.4.4变电所主变压器的选择
经计算可得补偿后的变压器二次侧的视在计算负荷为3688.74kV.A。
由于该厂的负荷大部分属于二、三级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，所以总降压变电所宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对负荷继续供电。
装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量St应同时满足以下两个条件：
①任一台单独运行时，SN.T>（0.6-0.7）S'3O
（2）
②任一台单独运行时，SN・TnS'30
（2）（I+11）
由于Sz30
（2）=3688.74KV-A,且该厂的负荷大部分为二、三级负荷：
1SN.T>[0.6-0.7）x3688.74=（2213.2〜2582.1）KV.A
2Sf30
（2）（I+11）<（0.6-0.7）Sr30
（2）
故可得SN.T>2582.1KV.A,考虑到此地年平均气温为23度，高于20度。
且变
压器为户安装，所以St=（1-（23-20）/100-0.08）SN.T,所以St>2298.1KV.A□
因此选用容量为2500KV.A的S11-2500/35变压器两台，其技术数据如下表所示:
型号
额定容量
（KVA）
额定电压
损耗/kW
空载电
流（％）
阻抗电压
（%）
一次
二次
空载
负载
S11-2500/35
2500
35KV
10KV
2.4
18.25
0.7
7
表3.1S11-2500/35变压器技术数据表
345技术指标计算
方案一：
工作电源和备用电源均为35kVo
正常工作时以35kV单回路供电，另设一条10kV线路作为备用电源，补偿后变压器高压侧的视在计算负荷Sso=7428.5KV.A,计算电流130=Sao/122.54A。
为保证供电系统安全可靠优质经济的运行，根据国家电线技术的有关规定，选择导线和电缆界面时候必须满足以下条件：
（1）发热条件：
导线和电缆在通过正常最大度和电流即计算电流时产生的发热温度不应该超过正常运行时允许的最高允许温度
（2）电压损耗条件：
导线和电缆在通过正常最大负荷电流产生的电压损耗，不应该超过正常运行时候允许的电压损耗。
对于工厂较短的电压线路，可不进行电压损耗校
（3）经济电流密度:
35kv及以上的高压线路及35KV以下的长距离，大电流线路例如较长的电源进线和电弧炉的短网进线，其导线截面宜按照经济电流密度选择，以使年运行费用最低，工厂10KV及以下的线路通常不按照经济电流密度进行选择。
（4）机械强度:
导线截面不应小于其最小允许截面。
对于电缆，不必校验其机械强度，但需要校验其短路热稳定度。
母线则应校验其短路的动稳定度和热稳定度。
对长距离大电流线路和35RV及以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面，再校验其他条件。
根据以上条件，对于35kv的线路按经济电流密度选择导线截面：
由于工厂的年最大有功负荷利用小时数为2300h,且选用钢芯铝绞线的机械强度最好，经过22查表，可得j-1.65A/mnio所以可选导线截面为74.3mm,
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